[发明专利]并行瞬时浮点放大器

说明书

本发明属于一种瞬时浮点放大器（IFP），适用于较大动态范围信号的放大处理。

当放大器输入信号动态范围比较大，亦即信号幅度变化比较大，会出现强信号情况下，输出信号切顶，弱信号情况下，输出信号又太小，为了使放大器在输入信号动态范围比较大的情况下，能正常工作，在收音机内就设计了音量自动控制电路，当收近处电台时，输出信号大通过负反馈又将放大倍数压低，达到自动控制音量的目的。但是自动音量控制不能记录下每一时刻放大器的放大倍数值，因此即使能测量出输出信号幅值，也不能计算出输入信号的大小，而在很多场合下，比如地震仪中、在很短的时间内（比如1秒内）地震波的动态范围达到96dB，即信号强弱相差好几万倍，放大器的放大倍数必须随输入信号强弱的变化而变化，不仅如此，每次放倍数改变时必须将放大倍数值记录下来，以便在测出输出信号幅值时，计算出输入信号的真正幅值（即以输出信号幅值除以该时刻的放大倍数），显然最佳放大倍数的确定，必须依靠数字电路来实现，根据采样率的不同瞬时浮点放大器每秒中要改变放大倍数数万次并将相应时刻的放大倍数的值存入计算机内存备用。由于瞬时浮点放大器电路比较复杂，因此许多路的输入信号共用同一套瞬时浮点放大器，也就是瞬时浮点放大器的输入端是一个多路采样开关，周期地与各路输入信号接通，瞬时浮点放大器的输字信号送入计算机内存。当对某一路输入信号采样时，其工作过程如下：发指令接通采样开关，开关接通后信号进入瞬时浮点放大器，计算机再发指令对信号幅度进行鉴别，幅度过大则降低放大倍数，幅度过小则增加放大倍数使输出电压幅度落入最佳工作范围，即±1V至±4V之内，此时IFP的电源电压为1.5V，输出大于±4V时接近饱和区，输出信号再大就要切顶，输出小于±4V时，接近截止区，输出信号再小就不能正常工作了。因此当输出电压幅度落入±1V～±4V最佳工作范围时的放大倍数即为最佳放大倍数。然而现有瞬时浮点放大器的最佳放大倍数是要经过多次比较鉴别才能最后确定，因此瞬时浮点放大器的工作速度受到限制。IFP的输出电压经保持电路后送入A/D转换器，A/D工作也需要时间，A/D转换结束后、转换数据结果由计算机指令送入计算机，此时某一路的采样结束。因此采样间隔在最短的情况下，要包括采保电路工作时间，IFP工作时间，A/D工作时间以及有关计算机控制指令执行时间等。目前，A/D片子的速度可达5μS以下，而采保电路工作时间及控制指令执行时间也很短、因此IFP的工作时间是采样间隔中的主要时间。为了提高最高采样率（最短采样间隔）就必须缩短IFP的工作时间。

现有地震仪中使用的IFP均按照串行原理工作，如图1所示，串行IFP的电路特点是多级合一个比较器。现以三级放大为例，输入信号先经阻抗匹配级，放大倍数为1倍，再经过3级放大，每次放大倍数为4，IFP的电压经K1、K2、K3、K4输出，无触点开关K1、K2、K3、K4的闭合由计算机控制，K1-K4四个开关中只允许接通一个。起始状态K4闭合，该放大器要求输出在±1V～±4V之间，比较器接在IFP输出端，当IFP输出绝对值大于±4V时，比较器输出“1”。现假定放大器工作于起始状态，K4闭合，IFP放大倍数为4×4×4＝64，如果此时输出电压绝对值大于±4V，计算机控制电路则将K4断开，K3闭合、即放大倍数降低为16倍，如果此时IFP输出电压绝对值小于±4V，则IFP放大倍数最终确定为16倍（即K3闭合），如此时IFP输出电压仍然大于±4V，则闭合K2，放大倍数降为4倍，如此时IFP输出小于±4V，则最终放大倍数为4（即K2闭合），若IFP输出仍大于±4V，则使放大倍数降为1倍（即K1闭合），上例中放大器是逐次比较型的IFP，其所需比较次数等于IFP的级数，上例中级数为3，故需比较3次才能确定最佳放大倍数，该电路的缺点是IFP级数增多时，比较次数也相应增多，比如5级的IFP需比较5次，这样IFP的工作时间太长。为了减少比较次数，人们研制了各种不同逻辑的控制电路，如予测型，游标型瞬时浮点放大。但不管哪一种类型的IFP，其比较次数一般要3次。这是由串行工作原理所决定的。而且当级数越多，比较次数越少时，其逻辑控制过程和电路就越复杂。

因此串行瞬时浮点放大器的缺点是工作时间长，逻辑控制电路复杂。

本发明的目的是最大限度地缩短瞬时浮点放大器处理高动态信号所需的时间。